改性氢氧化锆对水中低浓度磷酸盐的去除性能研究

摘要

磷是引起水体富营养化的限制性因素之一，过量的磷对湖泊、水库等生态系统的平衡造成了破坏。传统的水处理技术在处理低浓度含磷水和地表水时总难以达到优异的去除效果，而吸附法不仅可对低浓度磷进行稳定处理，还能对水中的磷进行回收利用。但是，实验室研发和制备的吸附除磷材料一般难以进行工业量产，无法进行大规模的实际工程应用。因此，寻找能进行工业量产并具有高效稳定性的吸附材料，通过优化运行参数使其能应用于实际的水处理工程中，成为了吸附除磷的研究重点和难点。本文通过对氢氧化锆吸附除磷材料进行改性，研制了一种能进行工业量产、循环再生、回收利用的氢氧化锆颗粒，通过优化材料的吸附除磷工艺参数，使材料在实际水处理工程应用中具备优异的连续除磷能力和回收利用率，对吸附除磷材料的工程化应用提供了一定的理论支持。本文的主要研究内容包括：采用分析纯和工业级氢氧化锆粉末吸附材料进行序批式低浓度含磷水处理实验，以获得了吸附材料的除磷性能基本参数；对工业级氢氧化锆粉末进行改性，制备了能工业量产的氢氧化锆颗粒，并对其进行了序批式和连续流实验，获得了材料的吸附除磷性能参数。本文的主要研究结果如下：　　①分析纯、工业级氢氧化锆粉末及自制氢氧化锆颗粒的序批式实验中，材料对0.5mg/L的低浓度含磷水的吸附除磷性能参数基本一致。磷的去除率随吸附剂投加量的增大而增大；当pH在6~9之间，水温在25℃~55℃之间，材料吸附除磷效果受溶液pH、温度影响较小，共存阴离子对材料的吸附性能基本无影响。综合考虑吸附去除率、脱附率和经济效益，粉末和颗粒氢氧化锆的最佳吸附时间分别为5~20min和20~50min，最佳的脱附碱液浓度都为1.0mol/L~2.0mol/L，最佳脱附时间分别为10~30min和30~40min。　　②氢氧化锆颗粒连续流吸附柱实验中，进水浓度为0.5mg/L，出水浓度控制在0.3mg/L以下，选取的水力停留时间越大，运行时间越长；出水超标时，对吸附材料进行脱附再生，选取的脱附液碱浓度越大，脱附率越高。综合考虑吸附柱的运行时间、处理水量、磷积累量、脱附率和经济效益，对于0.5mg/L的含磷水，氢氧化锆颗粒连续流吸附柱的最佳水力停留时间为10min，最佳脱附液碱浓度为2.0mol/L。　　③氢氧化锆颗粒连续流吸附柱实验中，进水浓度为0.5mg/L，出水浓度控制在0.3mg/L以下，连续吸附-脱附6次后，累积运行时长701h，材料的处理能力仅下降1.31%；在共存阴离子干扰条件下，连续吸附-脱附6次后，累积运行时长694.5h，材料的处理能力仅降低1.63%；对处理重庆市渝北区两河口水库（宝圣湖）库区湖水的实际含磷地表水，连续吸附-脱附6次后，累积运行时长569h，材料的处理能力仅降低1.64%。氢氧化锆颗粒吸附剂对低浓度含磷水体的处理具有良好的化学稳定性和循环再生性能。　　④氢氧化锆颗粒吸附剂在处理0.5mg/L的含磷水时，连续流吸附柱实验的吨水处理药剂费用为0.79元/m3；实际工程应用中吸附剂的吨水投资为354.5元/m3，吨水处理药剂费用为0.483元/m3。氢氧化锆颗粒吸附剂在深度除磷工艺中具备优异的经济效益。

目录

1 绪论

1.1 前言

1.2.1 磷污染现状

1.2.2 磷污染处理需求

1.3 水体中磷的去除研究现状

1.3.1 化学沉淀法除磷

1.3.2 离子交换法除磷

1.3.3 膜分离法除磷

1.3.3 生物法除磷

1.3.4 吸附法除磷

1.4 锆系材料吸附除磷技术研究现状

1.4.1 锆系材料在水体污染物吸附领域的应用

1.4.2 氢氧化锆材料介绍

1.4.3 氢氧化锆在除磷工程应用问题

1.5.1 选题思路

1.5.2 主要研究内容

1.5.3 技术路线

2 实验材料与方法

2.1.1 实验材料

2.1.2 主要设备

2.1.3 实验水样

2.2 实验方法

2.2.1 氢氧化锆粉末除磷性能实验

2.2.2 氢氧化锆颗粒除磷性能实验

2.3.1 分析表征方法

2.3.2 水质指标及测试方法

3 氢氧化锆粉末吸附除磷性能研究

3.1 吸附剂的表征

3.1.1 扫描电子显微镜表征（SEM）表征

3.1.2 比表面积与孔隙度（BET）表征

3.1.3 傅里叶红外光谱（FTIR）表征

3.2.1 吸附剂投加量实验

3.2.2 溶液pH实验

3.2.3 吸附时间实验

3.2.4 吸附温度实验

3.2.5 共存阴离子实验

3.2.6 吸附容量实验

3.2.7 脱附液碱浓度实验

3.2.8 脱附时间实验

3.3 本章小结

4 氢氧化锆颗粒吸附除磷性能研究

4.1 吸附剂的表征

4.1.1 扫描电子显微镜表征（SEM）表征

4.1.2 比表面积与孔隙度（BET）表征

4.2.3 傅里叶红外光谱（FTIR）表征

4.2.1 吸附剂投加量实验

4.2.2 溶液pH实验

4.2.3 吸附时间实验

4.2.4 吸附温度实验

4.2.5 共存阴离子实验

4.2.5 脱附液碱浓度实验

4.2.6 脱附时间实验

4.2.7 改性前后材料性能参数对比

4.3 连续流吸附柱除磷性能研究

4.3.1 水力停留时间实验

4.3.2 脱附液碱浓度实验

4.3.3 循环再生实验

4.3.4 共存阴离子影响实验

4.3.5 实际含磷地表水处理实验

4.4 本章小结

5 氢氧化锆颗粒吸附除磷成本分析

5.1 连续流吸附柱实验费用分析

5.2 实际工程案例费用分析

①工程案例简介

③吸附过滤罐药剂费用

5.3 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表学术论文与研究成果

B. 作者在攻读硕士学位期间主研和参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢